CMP抛光半导体晶片中抛光液的研究

本文分析了化学机械抛光(CMP)半导体晶片过程中抛光液的重要作用,总结了抛光液的组成及其化学性能(氧化剂、磨料及pH值等)和物理性能(流速、粘性及温度)对抛光效果的影响规律,研究发现:酸性抛光液常用于抛光金属材料,pH最优值为4,碱性抛光液常用于抛光非金属材料,pH最优值为10～11.5;氧化剂能有效提高金属材料的抛光效率和表面平整度;磨料的种类、浓度及尺寸会影响抛光效果;分散剂有助于保持抛光液的稳定性;抛光初始阶段宜采用较低流速,然后逐渐提高;抛光液的粘性会影响晶片与抛光垫之间的接触模式、抛光液的均布、流动及加工表面的化学反应;抛光液温度的升高有助于提高抛光效率.最后本文指出了抛光液循环使用的重要意义及常用方法.     

抛光液pH值、温度和浓度对蓝宝石抛光效率的影响

目的研究抛光液pH值、温度和浓度对化学机械抛光蓝宝石去除率的影响,以提高抛光效率。方法采用CP4单面抛光试验机对直径为50.8 mm C向蓝宝石晶元进行化学机械抛光,通过电子分析天平对蓝宝石抛光过程中的材料去除率进行了分析,采用原子力显微镜(AFM)对蓝宝石晶元抛光前后的表面形貌和粗糙度(Ra)进行了评价。结果蓝宝石在化学机械抛光过程中的材料去除率均随抛光液pH值和温度的升高呈先增大后减小趋势。当抛光原液与去离子水按1:1的体积比混合配制抛光液,KOH调节pH值为12.2,水浴加热抛光液35℃时,蓝宝石抛光的材料去除率(MRR)达到1.119μm/h,Ra为0.101 nm。结论随着pH的增大,化学作用逐渐增强,而机械作用逐渐减弱,在pH为12.2的时候能达到平衡点,此时的MRR最佳;随着温度的升高,化学作用逐渐增强,而机械作用保持不变,抛光液温度为35~40℃时,化学作用与机械作用达到平衡,MRR最佳,当温度高于40℃后,抛光液浓度明显增大,而过高的浓度会导致MRR的减小。抛光液的相关性能优化后,化学机械抛光蓝宝石的MRR较优化前提高了71.4%。     

α-Al2O3纳米粒子抛光浆料稳定性及其对蓝宝石抛光性能的影响

目的制备分散稳定性良好的α-Al2O3纳米粒子抛光浆料,提高对蓝宝石的化学机械抛光性能。方法将α-Al2O3分散在硅溶胶、氧化铈溶胶、水等不同分散介质中,于不同pH值、不同硅溶胶浓度及硅溶胶粒径等条件下制备出α-Al2O3纳米粒子的抛光浆料,考察抛光浆料的稳定性及抛光浆料对蓝宝石化学机械抛光性能的影响。采用Zeta电位仪测量抛光浆料中α-Al2O3的电势,进而对其分散稳定性进行分析。采用原子力显微镜(AFM)和分析天平分别对蓝宝石表面粗糙度(Ra)和材料去除速率(MRR)进行评价。结果分散介质为硅溶胶时,抛光浆料的稳定性及对蓝宝石的抛光性能较好。当抛光浆料pH值为10时,其分散稳定性较好,且化学腐蚀与机械研磨达到动态平衡,抛光浆料对蓝宝石的抛光性能较好。随着α-Al2O3浓度的增大,浆料的抛光性能呈现先增加后降低的趋势,当α-Al2O3的质量分数为10.0%时,抛光浆料对蓝宝石的抛光性能较好。当硅溶胶的质量分数为0.02%时,抛光浆料的分散稳定性及对蓝宝石的抛光性能较好。随着硅溶胶粒径的增加,抛光浆料的稳定性及对蓝宝石的抛光性能逐渐变差,所以选择最小粒径5 nm的硅溶胶作分散介质。即在10.0%的α-Al2O3、0.02%粒径为5 nm的硅溶胶、pH值为10等条件下的抛光浆料稳定性较好,该浆料对蓝宝石抛光的材料去除速率为15.16 nm/min,抛光后的表面粗糙度为0.272 nm,满足蓝宝石后续外延工艺要求。结论适宜浓度的硅溶胶能明显改善α-Al2O3抛光浆料的分散稳定性,分散效果明显优于水或氧化铈溶胶作分散介质,且对蓝宝石的抛光性能得到显著提高。     

蓝宝石晶片机械化学研磨抛光新方法研究

以SiO2为磨料,同时将MgF2微粉作为固相反应催化剂加入到SiO2磨料中,利用蓝宝石和SiO2之间的固相反应,通过去除生成的软质反应层的方法,对蓝宝石晶片进行机械化学研磨抛光,在获得良好的表面加工质量的同时,提高蓝宝石晶片加工效率.     

纳米氧化铈抛光液对钌的化学机械抛光

采用液相沉淀法制备了纳米CeO2磨料,利用X射线衍射(XRD)表征其物相组成.通过纳米粒度仪研究了分散剂种类、热处理温度对CeO2磨料制备的悬浮液的粒径分布和Zeta电势的影响.用由CeO2磨料制备的抛光液对钌进行化学机械抛光,采用原子力显微镜观察钌片表面的微观形貌.结果表明:制备的粉体是具有立方萤石型结构的纳米CeO2,其晶粒尺寸随热处理温度的升高而增大;CeO2磨料在以六偏磷酸钠(SHMP)作为分散剂的悬浮液中分散效果最好;在抛光压力为6.9 kPa,抛光台转速为50 r/min,抛光液流量为50 mL/min,抛光液pH值为10.0,抛光液主要组成(质量分数)为1％ CeO2,1％(NH4)2S2O8,0.01％ SHMP的条件下,钌的抛光速率达到9.0 nm/min,表面粗糙度Ra值为2.2 nm.     

蓝宝石衬底CMP中氧化硅磨粒粒度分布对抛光液体系性能影响研究

目的 化学机械抛光(CMP)包含化学腐蚀和机械磨削两方面,抛光液pH、磨粒粒径和浓度等因素均会不同程度地影响其化学腐蚀和机械磨削能力,从而影响抛光效果。方法 采用30~150 nm连续粒径磨粒抛光液、120 nm均一粒径磨粒抛光液、50 nm和120 nm配制而成的混合粒径磨粒抛光液,分别对蓝宝石衬底晶圆进行循环CMP实验,研究CMP过程中抛光液体系的变化。结果 连续粒径磨粒抛光液中磨粒大规模团聚,满足高材料去除率的抛光时间仅有4 h,抛光后的晶圆表面粗糙度为0.665 nm;均一粒径磨粒抛光液中磨粒稳定,无团聚现象,抛光9 h内材料去除率较连续粒径磨粒抛光液高94.7%,能至少维持高材料去除率18 h,抛光后的晶圆表面粗糙度为0.204 nm;混合粒径磨粒抛光液初始状态下磨粒稳定性较高,抛光9 h内材料去除率较连续粒径磨粒抛光液高114.8%,之后磨粒出现小规模团聚现象,后9 h材料去除率仅为均一粒径磨粒抛光液的59.6%,18 h内材料去除率仅为均一粒径磨粒抛光液的87.7%,但抛光后的晶圆表面粗糙度为0.151 nm。结论 一定时间内追求较高的材料去除率和较好的晶圆表面粗糙度选用混合粒径磨粒抛光液,但需要长时间CMP使用均一粒径磨粒抛光液更适合,因此,在工业生产中需要根据生产要求配合使用混合粒径磨粒抛光液和均一粒径磨粒抛光液。     

蓝宝石晶片粗磨工艺的研究

采用碳化硼（粒度尺寸61μm）作为磨料配制的研磨液对蓝宝石表面进行粗磨,并研究其工艺。通过单因素实验,选用不同悬浮液、不同研磨压力、不同质量分数碳化硼进行实验。结果表明:当碳化硼磨料质量分数为20%,悬浮液为CM-F系列,研磨液流量250mL/min,研磨盘转速80r/min,研磨时间30min,研磨压力2.8×104 Pa时,研磨效果好,材料去除率可达2.47μm/min,表面无肉眼可见划痕,在OLYMPUS-MX50下观察,晶片表面无明显划伤。      

单晶蓝宝石衬底晶片的化学机械抛光工艺研究

目的设计单晶蓝宝石衬底化学机械抛光的合理方案,探究主要抛光工艺参数对抛光衬底的表面质量和材料去除率的影响,并得到一组材料去除率高且表面质量满足要求的抛光工艺参数。方法借助原子力显微镜和精密天平分别对衬底表面形貌和材料去除率进行分析,采用单因素实验法探究了抛光粒子、抛光时间、抛光压力和抛光盘转速对蓝宝石衬底化学机械抛光的表面质量和材料去除率的影响,并设计合理的交互正交优化实验寻求一组较优的抛光工艺参数。结果在蓝宝石衬底化学机械精抛过程中,在抛光时间为0.5 h、抛光压力为45.09 k Pa、抛光盘转速为50 r/min、SiO_2抛光液粒子质量分数为15%、抛光液流量为60 m L/min的条件下,蓝宝石衬底材料的去除率达41.89 nm/min,表面粗糙度降低至0.342 nm,衬底表面台阶结构清晰,满足后续外延工序的要求。结论采用化学机械抛光技术和优化的工艺参数,可同时获得较高的材料去除率和高质量的蓝宝石衬底表面。     

钴掺杂硅溶胶的制备及其在A向蓝宝石抛光中的应用

目的 提高A向蓝宝石抛光速率.方法 分别采用诱导法和种子法制备了非球形和球形钴掺杂硅溶胶,并应用于A向蓝宝石的化学机械抛光.采用扫描电子显微镜(SEM)、电感偶合等离子体发射光谱仪(ICP)和X射线光电子能谱(XPS)检测产物颗粒的粒径及其分布、形貌、元素组成及存在状态等,采用CP-4抛光机对抛光速率进行验证,并用原子力显微镜测试抛光后的材料表面粗糙度,根据抛光后产物的XPS测试结果对抛光过程中的化学反应进行分析.结果 与纯硅溶胶相比,非球形钴掺杂硅溶胶抛光速率提高了37％,且表面粗糙度相近,而球形钴掺杂硅溶胶抛光速率却无明显优势.XPS结果显示,目前没有证据表明Co元素参与了化学反应.结论非球形钴掺杂硅溶胶在A向蓝宝石抛光中起到了积极作用,归因于其形状优势而非Al2O3与Co之间的化学反应.     

磨粒和抛光垫特性对蓝宝石超声化学机械抛光的影响

抛光磨粒和抛光垫对蓝宝石超声化学机械抛光起重要作用,为研究磨粒和抛光垫特性对蓝宝石材料抛光效率和质量的影响,利用自制超声弯曲振动辅助化学机械抛光装置,研究金刚石、氧化铝和二氧化硅3种不同磨粒,以及表面多孔且无沟槽的聚氨酯抛光垫、IC1000抛光垫、IC1000和SubaⅣ复合抛光垫对蓝宝石材料去除率及抛光后表面粗糙度的影响。由质量损失求得的去除率和原子力显微镜表面形貌测试结果表明：二氧化硅抛光液的去除率3.2 μm/h接近氧化铝抛光液去除率3.8 μm/h,远大于金刚石抛光液去除率0.3 μm/h,且其抛光后的蓝宝石表面光滑、无损伤;3种抛光垫抛光后的蓝宝石粗糙度接近,约0.10 nm,但聚氨酯抛光垫的去除率为3.2 μm/h,远大于IC1000抛光垫的去除率1.9 μm/h及复合垫的去除率1.6 μm/h。二氧化硅抛光液和聚氨酯抛光垫适宜蓝宝石超声化学机械抛光工艺,可获得高去除率和原子级光滑表面。     

晶体取向对蓝宝石晶片抛光加工的影响研究

目的 对比分析不同晶向蓝宝石晶圆抛光结果,优化加工参数,探究晶体取向对抛光结果的影响规律.方法 选取A、C面蓝宝石晶片(50.8 mm)为研究对象,采用控制变量法,分别以加工载荷(9.87、14.81、19.75 kPa)和抛光盘转速(20、40、60、80 r/min)为变量,以表面粗糙度Ra和材料去除率MRR为评价指标,对两种晶体取向的蓝宝石晶片进行抛光加工试验,借助3D表面轮廓仪与扫描电子显微镜SEM,对加工前后蓝宝石晶片的表面形貌进行对比,并根据试验结果优化加工参数.结果 A、C面蓝宝石晶片的表面粗糙度与材料去除率,随时间均表现出先快速下降,然后逐渐变缓,最后趋于稳定的趋势.当选取转速60 r/min、载荷14.81 kPa的参数组合时,两种晶片获得目标最小粗糙度和最大材料去除率,最终得到A面Ra=24.874 nm,MRR=3.715 nm/min,C面Ra=2.763 nm,MRR=7.647 nm/min,C面材料去除率为A面的2.1～2.5倍.结论 蓝宝石晶体取向作用对材料加工结果存在显著影响,在相同的加工条件下,相较于A面蓝宝石,C面蓝宝石更容易获得纳米级的表面质量和更高的材料去除率,即C面更易加工.     

SiC晶片增韧ZrB_2复合陶瓷材料的制备与性能

研究了以氮化铝(AlN)为助烧剂的碳化硅晶片(SiC_(pl))增韧二硼化锆(ZrB_2)复合陶瓷材料的制备工艺,并测定其抗弯强度、断裂韧性、致密度和显微硬度.利用扫描电子显微镜(SEM)观察了样品的表面及断面形貌.复合陶瓷中SiC晶片的添加量分别为5%, 10%, 15%以及20%(体积分数, 下同),AlN作为烧结助剂添加量为3%.结果表明:适量SiC晶片的添加提高了SiC_(pl)/ZrB_2复合陶瓷的烧结致密度;SiC_(pl)/ZrB_2复合陶瓷的力学性能比纯ZrB_2陶瓷有所提高,抗弯强度和维氏硬度在5%SiC晶片添加量时达到最大,分别为(625.34±21.46) MPa和(14.60±0.84) GPa;断裂韧性在15%SiC晶片添加量时达到最大值(8.35 ± 0.26) MPa·m~(1/2).断口形貌观察表明主要增韧机制为裂纹偏转与晶片拔出.     

精细雾化Cu-CMP抛光液抛光效果的试验研究

以磨料白炭黑、氧化剂H2O2、有机碱三乙醇胺、分散剂聚乙二醇为原料,通过正交设计的方法配制一系列抛光液,通过四甲基氢氧化铵调节抛光液的pH值为12,然后在研磨抛光机上对铜片进行超声波精细雾化化学机械抛光（CMP）。对抛光盘转速与材料去除率的关系进行了研究,并对传统抛光和雾化抛光效果进行了对比。试验结果表明,分散剂、白炭黑、有机碱、氧化剂对抛光去除率的影响依次减弱。随着抛光盘转速的增加,雾化抛光的去除率经历了先缓慢增加、再急剧增加、后缓慢增加的变化过程。在同等的试验条件下,传统抛光的去除率为223 nm/min,铜片表面粗糙度为7.93 nm,雾化抛光去除率和铜片表面粗糙度分别为125 nm/min和3.81 nm;虽然去除率略有不及前者,但抛光液用量仅为前者的十几分之一。     

固结磨料研磨蓝宝石晶片的工艺优化

为了满足蓝宝石晶片高效低损伤的加工要求,采用亲水性固结磨料研磨垫研磨蓝宝石晶片的工艺,研究基体中碳化硅粒度尺寸、基体类型、金刚石粒度尺寸及研磨液中磨料4个因素对材料去除率和表面粗糙度的影响,并综合优化获得高加工效率和优表面质量的工艺参数。实验结果表明:基体中碳化硅粒度尺寸为10 μm、基体类型为Ⅱ、研磨垫采用F公司粒度尺寸为35~45 μm的金刚石、研磨液中磨料的粒度尺寸为5 μm的碳化硅为最优工艺组合,亲水性固结磨料研磨蓝宝石的材料去除率为431.2 nm/min,表面粗糙度值为R_a 0.140 2 μm。      

LiTaO3晶片CMP过程工艺参数研究

采用不同抛光条件抛光LiTaO3晶片,通过测量其加工表面粗糙度和材料去除率,探讨了化学机械抛光去除机理,分析了抛光垫材料和状态、抛光压力、抛光盘转速等因素对LiTaO3晶片抛光表面质量和材料去除率的影响规律,并获得了LiTaO3晶片CMP加工的有效工艺参数.实验表明,为获得LiTaO3晶片超精密表面,可采用沥青和平绒布抛光垫进行粗抛和精抛,然后采用旧无纺布(抛光垫)进行终抛,获得较大工件去除率和较光滑表面,得到良好的综合抛光效果.在修正环型超精密抛光机上,理想的LiTaO3工艺参数为:抛光压力为7.25 kPa,抛光盘转速为60rpm.     

蓝宝石晶片纳米级超光滑表面加工技术研究

本文提出以蓝宝石塑性磨削和化学机械抛光为主要手段，以原子力显微镜为主要检测工具，来制备满足光电子领域要求的纳米级超光滑蓝宝石晶片的新方法。在高刚性磨床上，用W7的金刚石砂轮以f=1μm／r进给量，实现了蓝宝石晶片的浅损伤塑性域磨削。配制了以SiO2溶胶为抛光料的监宝石晶片专用抛光液，稳定地获得了无损伤层的RMS小于0.2nm的超光滑蓝宝石晶片表面。GaN外延生长所需蓝宝石晶片的合理抛光参数是：SiO2的粒子直径为7nm、浓度为3％、pH=11、压力P=200Pa。     

硒化锌晶片抛光的研究

采用化学机械抛光（CMP）的方法,使用自主研发的氧化铝抛光液作为研磨介质,通过对硒化锌（ZnSe）晶片进行抛光实验,得出了氧化铝磨粒的粒度尺寸、抛光液的pH值、氧化剂种类及质量分数对ZnSe晶片表面状态和去除率的影响。实验结果表明:氧化铝抛光液适宜ZnSe晶片的抛光,采用质量分数15%的氧化铝抛光液（氧化铝粒度尺寸200 nm）,加入质量分数3%的次氯酸钠浸泡24 h,抛光液的pH值为8,试验结果较佳,此时去除率可达2 μm/min,晶片表面平整无划痕,表面质量较理想。      

A向蓝宝石化学机械抛光研究

以纳米氧化铝为磨料对A向蓝宝石进行化学机械抛光,实验中考察了磨料浓度、磨料粒径、抛光时间、抛光压力以及NH₄F浓度等因素对A向蓝宝石的材料去除速率和表面粗糙度的影响。利用原子力显微镜（AFM）检测抛光后A向蓝宝石的表面粗糙度,系统分析抛光过程中各影响因素,优化实验条件,结果表明:当抛光液中磨料质量分数为1%、磨料粒度尺寸为50nm、抛光时间为40 min、抛光压力为16.39 kPa、NH₄F质量分数为0.6%、pH=4.0时,抛光后材料去除速率（MRR）为18.2 nm/min,表面粗糙度值R_a 22.3 nm,抛光效果最好。      

新型钢抛光液中磨料的种类及其性能研究进展

磨料在抛光液中主要起机械作用,磨料的理化性质,如硬度、粒径、浓度等,是影响化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing,CMP)性能的重要因素,对抛光效率有较大影响。针对我国抛光液对外依赖、需求量大,但精度等指标达不到市场要求等问题,同时由于磨料在抛光液的抛光性能中起着至关重要的作用,因此寻求效果更好的改性磨料或新型磨料材料,以促进化学机械抛光技术的发展势在必行。故此,归纳汇总近年来国内外研制出的新型钢抛光液,聚焦于抛光液磨料这一重要组分中不同物质的物化性质及其作用,对抛光性能(如材料去除率、表面粗糙度和光泽度等)的影响等,分类别阐述了不同物质的优劣势、复配协同作用以及在现有抛光液中的效果,为之后抛光液配方研究中磨料的选择提供参考。归纳总结发现,混合与复合磨料较单一磨料有较大的提升,稀土掺杂、核/壳结构等改进存在较大的研究价值,组分间的复配协同作用对抛光性能的提升有一定作用。最后,基于目前钢抛光液应用中存在的问题以及现有的具有前景的技术,对钢抛光液中磨料的发展进行了展望。     

纳米CeO2的醇水法制备及其对GaAs晶片的抛光性能

在醇水体系中以HMT为缓释沉淀剂制备了纳米CeO2粉体,并用TEM、SAD、XRD对其进行了表征,将制备的不同粒径纳米CeO2粉体配制成抛光液,对GaAs晶片进行了化学机械抛光。研究了醇的引入及煅烧温度对粉体性能的影响,并就纳米CeO2磨料尺寸对GaAs晶片抛光后表面粗糙度的影响机理进行了探讨。结果表明:醇水体系中制备的纳米CeO2颗粒较水溶液中制备的颗粒粒径小,且分散性好;随着煅烧温度的升高,颗粒逐渐增大,不同尺寸的纳米颗粒具有不同的抛光效果;随着磨料粒径的增大,表面粗糙度值也随之升高。